Soutenance mémoire
Étude de systèmes multisources avec énergies renouvelables
Système de contrôle pour la gestion de systèmes de production décentralisée
Dans les microréseaux, différentes technologies peuvent être utilisées basées sur des ressources primaires de différentes natures. En d’autres mots, il y a une grande différence entre le type de contrôle requis pour les sources intermittentes telles que les sources éoliennes et photovoltaïques et celui requis pour les sources de soutien telles que les génératrices à carburant (génératrice diesel et pile à combustible).Par conséquent, les microréseaux nécessitent un ensemble de contrôleurs structurés pour assurer un bon fonctionnement du système en considérant les différents modes de fonctionnement (connecté ou déconnecté au réseau) et les possibles défaillances du système.La nécessité de normes en matière de contrôle des microréseaux est liée aux nouveaux codes qui sont encore en évolution. ANSI/ISA-95 est une norme internationale pour les systèmes de contrôle en entreprise. Cette norme a été développée pour les fabricants mondiaux et est appliquée dans tous les secteurs industriels. Afin d’adapter la norme ISA 95 au développement des microréseaux [8], [23], trois niveaux hiérarchiques de contrôle ont été proposés comme suit :
1) Niveau 3 (réglage tertiaire) correspond au niveau de production d’énergie primaire et le contrôle du flux de puissance entre le microréseau et le réseau centralisé. C’est un niveau d’optimisation qui considère la balance entre la demande et l’approvisionnement de l’énergie, les variations de la charge, les prévisions et la capacité de stockage.
2) Niveau 2 (contrôle secondaire), couramment centralisé et automatique avec communication, il joue le rôle de coordonnateur des actions de toutes les unités de production et de stockage du microréseau. Ce contrôle est responsable d’optimiser le fonctionnement des microréseaux interagissant avec le réseau principal et contrôlant la puissance active et réactive de chaque unité.
3) Niveau 1 (contrôle primaire) correspond au contrôle local, qui assure le maintien de la fréquence et la tension dans le microréseau ainsi que l’injection de courant vers le réseau conventionneL
Dans les systèmes de production décentralisée à énergies renouvelables ou à sources non-linéaires deux différentes branches de contrôle sont identifiées [23], tel que montré dans la Figure 2.10, un système de contrôle général est chargé de coordonner les tâches suivantes:
• Le contrôle d’entrée: qui a pour objectif principal de permettre l’extraction de la puissance maximale de la source intermittente ou non-linéaire. Ce mécanisme est connu dans la littérature sous le nom de MPPT (pour les sigles en anglais : Maximum Power Point Tracking) pour les sources renouvelables. Dans le cas des sources non-linéaires, comme les piles à combustible, des algorithmes d’optimisation du rendement sont couramment employés.
• Le contrôle du côté réseau: qui considère les aspects relatifs au contrôle de la puissance active et réactive absorbée ou injectée au réseau conventionnel, au contrôle de la qualité de l’onde, à la synchronisation et transfert de charges entre le microréseau et le réseau de distribution.
Extraction de puissance maximale des sources renouvelables
Un des aspects clefs dans les systèmes de production décentralisée à énergies renouvelables est le développement et l’implantation des algorithmes pour l’extraction de la puissance maximale.
L’algorithme de contrôle du système à énergies renouvelables surveille les conditions de la source et du climat pour adapter le point d’opération de l’interface de puissance afin de capturer le maximum d’énergie disponible à la source suivant les conditions du climat sur une vaste plage des variations. La figure 2.11 Ca) et (b) montrent les caractéristiques typiques des courbes de puissance d’une éolienne et d’un panneau solaire [26], [27] selon les variations de vents et d’ensoleillement.
Plusieurs méthodes MPPT ont été proposées dans la littérature, certaines très élémentaires et d’autres avec une grande complexité. Les algorithmes MPPT les plus populaires sont le contrôle de perturbation et observation, le contrôle implémenté avec réseaux de neurones, le contrôle avec logique floue, et la méthode dP/dV ou dP/dI en rétroaction. Une synthèse détaillée de toutes ces méthodes de contrôle est présentée dans [28]-[29]. Le tableau A-4, en annexe A, résume quelques caractéristiques importantes des différentes méthodes MPPT appliquées aux systèmes PV.
Une méthode simple mais efficace de MPPT consiste en mesurer la tension et le courant de chaque branche de modules de PV, puis on calcule la puissance de sortie de la matrice et on la compare avec la puissance réelle de sortie de la matrice. Selon le résultat de la comparaison, le rapport cyclique est changé pour contrôler le courant d’entrée de l’onduleur. Ce processus est répété jusqu’à ce que la prise de courant maximum ait été atteinte.
Connexion au réseau conventionnel
Les systèmes de production décentralisée en considérant des sources d’énergie intermittentes présentent plusieurs inconvénients tels que la faiblesse quant à leur efficacité et leur contrôlabilité étant donné qu’ils sont vulnérables au climat. En conséquence, si leur raccordement au réseau électrique conventionnel est considéré, la stabilité du réseau peut être affectée si ces systèmes ne sont pas correctement contrôlés. Dans ce cas, les algorithmes de synchronisation et les algorithmes pour le contrôle de puissance/courant jouent un rôle majeur.Les microréseaux doivent alors être en mesure de fonctionner en mode interconnecté au réseau et en mode îloté. Un sectionneur de dérivation responsable de la liaison entre le microréseau et le réseau conventionnel est nécessaire. Ce commutateur (en anglais : bypass switch) est conçu pour répondre aux normes internationales.Dans [30], des approches pour la conception, l’intégration et l’exploitation des microréseaux incluant la capacité de connexion et de déconnexion du réseau, ainsi que des fonctionnalités de sécurité dont la détection de l’îlotage sont considérées. Les algorithmes de détection d’îlotage sont requis pour le contrôle des microréseaux lorsqu’une déconnexion involontaire des interfaces de puissance arrive [31 ]-[33]. En mode îloté, le microréseau doit fournir les puissances active et réactive demandées par les charges afin de maintenir la stabilité du système.D’autre part, une fois que le système est en mode îloté, il existe différentes techniques de synchronisation, pour la reconnexion des unités avec le réseau principal lorsque la reconnexion est possible. Ces algorithmes sont exigés car la différence de fréquence et/ou de niveau de tension entre le microréseau et le réseau conventionnel peut produire des forts transitoires detension/courant pouvant endommager les charges et/ou les interfaces de pUissance.
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Table des matières
Résumé
Avant propos
Déclicace
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Objectifs du travail de recherche
1.2 Méthodologie
1.3 Organisation du mémoire
Chapitre 2 – Étude de systèmes multisources avec énergies renouvelables
2.1 Généralités liées à la production décentralisée avec énergies renouvelables
2.2 Éléments des microréseaux avec énergies renouvelables
2.3 Utilisation de l’énergie du soleil: technologie photovoltaïque
2.4 L’énergie provenant des vents: les générateurs éoliens
2.5 Système de contrôle pour la gestion de systèmes de production décentralisée
2.5.1 Extraction de puissance maximale des sources renouvelables
2.5.2 Connexion au réseau conventionnel
2.6 Conclusion
Chapitre 3 – Opération de microréseaux autonomes
3.1 Techniques de contrôle pour la mise en parallèle des onduleurs de tension
3.2 Techniques de partage de puissance avec contrôle centralisé
3.2.1 Techniques de partage de puissance avec système de supervision et contrôle centralisé
3.2.2 Techniques de partage de puissance avec circuit ou système de partage dédié
3.3 Techniques de partage de puissance avec contrôle locaL
3.3.1 Contrôleur de déplacement classique
3.3.2 Contrôleur de déplacement avec impédance virtuelle et autres variantes
3.4 Perspectives de recherche et principaux défis concernant l’opération des microréseaux autonomes
3.5 Conclusion
Chapitre 4 – Propositions relatives au contrôle de microréseaux autonomes à courant alternatif
4.1 Synchronisation de systèmes multi-convertisseurs avec ADALINE&FLL
4.1.1 Réseau de neurones ADALINE
4.1.2 Principe du ADALINE&FLL
4.1.3 Génération des signaux de synchronisation
4.2 Mise en parallèle d’onduleurs avec contrôleur «Droops » classique et ADALINE à fréquence variable
4.3 Contrôle de tension et de puissance
4.4 Nouvelle méthode de partage de puissance dans les microréseaux autonomes
4.4.1 Opération des sources maîtresses (D-Droops)
4.4.2 Opération des sources esclaves en partage permanent de puissance (I-Droops)
4.4.3 Opération des sources esclaves avec reconfiguration automatique du microréseau (SIDroops)
4.4.4 Opération des sources esclaves en configuration d’exportation de puissance (XI-Droops)
4.5 Conclusion
Chapitre 5 – Validation expérimentale des propositions
5.1 Description du banc d’essais expérimental utilisé pour l’évaluation des propositions
5.2 Validation du réseau ADALINE avec FLL (ADALINE&FLL)
5.3 Validation du contrôleur de tension
5.4 Opération d’onduleurs en parallèle avec contrôleur « Droops » classique et ADALINE à fréquence variable
5.5 Opération d’onduleurs en parallèle avec la nouvelle méthode de partage de puissance basée sur ADALINE&FLL
5.5.1 Opération d’un onduleur en mode maître avec contrôleur D Droops
5.5.2 Partage permanent de puissance avec D-Droops et I-Droops
5.5.3 Partage de puissance avec reconfiguration automatique des unités esclaves (SI-Droop)
5.5.4 Partage de puissance entre sources contrôlées et sources intermittentes avec limitation de puissance (XI-Droops)
5.6 Conclusion
Chapitre 6 – Conclusions générales
Bibliographie
Annexe A- Compléments
Annexe B- Banc d’essais expérimental
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